Рубрика «квантовая физика»

1. Шар на пружине, ньютоновская версия
2. Квантовый шар на пружине
3. Волны, классический вид
4. Волны, классическое уравнение движения
5. Квантовые волны
6. Поля
7. Частицы – это кванты

В предыдущей статье серии я объяснил, что частицы природы – это кванты релятивистских полей, удовлетворяющие уравнениям движения класса 0 и класса 1. Но чего я пока не сказал, так что это утверждение, к счастью, верно лишь отчасти. Реальные уравнения всегда чуть более сложные, таким образом, что взаимосвязь частиц и полей остаётся, но при этом становятся возможными гораздо более разнообразные явления и процессы, включая появление частиц после столкновения других частиц, распад частиц на другие частицы, и рассеяние частиц друг с друга, а также формирование таких интересных объектов, как протоны и нейтроны, атомные ядра и атомы. Я не смогу объяснить всё это подробно, но в этой статье дам вам вводную того, как всё это работает.
Читать полностью »

1) шар на пружине, ньютоновская версия
2) квантовый шар на пружине
3) волны, классический вид
4) волны, классическое уравнение движения
5) квантовые волны
6) поля

Вот мы, наконец, и добрались до нашей цели: понять, что на самом деле представляют собой те штуки, что мы зовём «частицами», а именно – электроны, фотоны, кварки, глюоны и нейтрино. Всё, это, конечно же относится к современной науке. Стоит помнить, что в науке нет никаких гарантий того, что текущее понимание не будет в дальнейшем углублено.

Предыдущая статья описывала, что такое поля – объекты, обладающие значением в любой точке пространства и в любой момент времени (функции от пространства и времени), удовлетворяющие уравнению движения, и физически осмысленные в плане того, что они способны переносить энергию из одного места в другое и влиять на физические процессы Вселенной.

Мы узнали, что большинство знакомых нам полей описывают свойство среды, такой, как высота верёвки или давление в газе. Но также мы узнали, что в эйнштейновской теории относительности существует особый класс полей, релятивистские поля, не требующие среды. Или, по крайней мере, если у них и есть среда, она весьма необычная. Ничто в уравнениях поля не требует наличия какой-то среды и не говорит о том, какое свойство этой среды описывают релятивистские поля.
Читать полностью »

1. Разбираемся в физике частиц: мяч на пружине
2. Разбираемся в физике частиц: 2) квантовый шар на пружине
3. Разбираемся в физике частиц: 3) волны, классический вид
4. Разбираемся в физике частиц: 4) волны, классическое уравнение движения
5. Разбираемся в физике частиц: 5) квантовые волны

На самом деле мы уже некоторое время назад зашли на территорию полей, просто я вас об этом не предупредил – я хотел сконцентрироваться на волнах, возникающих на этих полях. Описывая то, как ведут себя волны, мы выражали их форму и зависимость от времени при помощи функции Z(x,t). Ну так вот, Z(x,t) – это поле. Это функция пространства и времени с уравнением движения, определяющим её поведение. Подходящей функцией движения была бы такая, что если Z увеличивается или уменьшается в определённой точке, то Z будет уменьшаться или увеличиваться в соседних точках чуть попозже. Эта особенность позволяет волнам оказываться в числе решений уравнения.

В этой статье мы посмотрим на несколько примеров полей Z(x,t), чьи уравнения движения разрешают наличие волн. Физическая интерпретация у этих полей будет самой разной. Они описывают разные свойства разных материалов. Но уравнения, которым они удовлетворяют, и волны, которые они демонстрируют, будут удовлетворять очень похожей математике, и вести они себя тоже будут похоже, несмотря на различное физическое происхождение. Это в будущем станет очень важным моментом.
Читать полностью »

Не то, что вы думаете

image

Попросите группу физиков и философов определить «пространство», и вы, скорее всего, увязнете в долгой дискуссии, в которой будут встречаться такие глубокие, но бессмысленные комбинации слов, как «сама ткань пространства-времени является физическим проявлением концепций квантовой энтропии, сотканной воедино универсальной природой местоположения». Если подумать, может вам и не стоит затевать глубокие дискуссии между физиками и философами.

Является ли пространство просто бесконечной пустотой, лежащей в основе всего? Или же это пустота между объектами? Что, если пространство – это ни то, ни другое, а вовсе даже и физическая сущность, способная плескаться, будто ванна с водой?

Оказывается, что природа пространства – одна из величайших и самых странных загадок Вселенной. Так что приготовьтесь к… пространным рассуждениям.
Читать полностью »

Издавна мы передаем сигналы при помощи различных носителей информации. Мы использовали сигнальные костры, барабаны, голубей, электричество. И в итоге опять пришли к свету — к передаче информации по оптике. А теперь изучаем сцепленные фотоны. Все мы знаем, что напрямую через квантовую сцепленность передать можно ключ, но не иную информацию. А если не напрямую, но при помощи? Кому интересно, добро пожаловать под кат.
Читать полностью »

Напоминание: квантовый шар на пружине

В первой статье серии мы изучали шар массы М на пружине жёсткости К, и нашли, что у его колебаний:

• Будет формула $ z(t)=z_0 + A cos [ 2 π ν t ] $.
• Энергия $ E=2 π^2 ν^2 A^2 M $.
• Уравнение движения $ d^2z/dt^2=– K/M (z – z_0) $

Где уравнение движения принуждает к ν = √ K/M / 2π, но позволяет амплитуде А быть любой положительной величины. Затем во второй статье мы увидели, что квантовая механика, применимо к колебаниям, ограничивает их амплитуду – она уже не может быть любой. Вместо этого она квантуется, она должна принимать одну из бесконечного количества дискретных величин.
Читать полностью »

Ключевым результатом предыдущей статьи стало то, что колебательное движение шара на пружине в доквантовой физике Ньютона и его друзей принимает вид

$ z(t)=z_0 + A cos [ 2 π ν t ] $

Где:
• z – положение шара как функция времени t,
• z0 — положение равновесия шара (где он покоился бы, если бы не колебался),
• A – амплитуда колебаний (которую мы можем выбирать сколь угодно большой или малой),
• ν [ню] – частота колебаний (зависящая только от силы пружины К и массы шара М, и не зависящая от А).

Кроме того, общая энергия, хранящаяся в колебании, равна

$ E=2 π^2 ν^2 A^2 M $

Изменяя А, мы можем сохранить в колебании любое количество энергии.
Читать полностью »

Соревнование между гравитацией и квантовой физикой принимает новый оборот

image

Это была крупнейшая из проблем, это была малейшая из проблем.

Сегодня у физиков на руках есть два свода правил, объясняющих, как работает природа. Есть общая теория относительности, отлично описывающая гравитацию и всё, над чем она властвует: движущиеся по орбите планеты, сталкивающиеся галактики, динамика расширяющейся Вселенной. Это крупный масштаб. И есть квантовая механика, работающая с тремя другими взаимодействиями – электромагнетизмом и двумя ядерными силами. Квантовая теория прекрасно справляется с объяснением происходящего при распаде атома урана или при столкновении отдельных частиц света и фотоэлемента. Это малый масштаб.

А теперь проблема: относительность и квантовая механика – фундаментально различные теории, формулирующиеся по-разному. И это не вопрос научной терминологии, это столкновение по-настоящему несовместимых описаний реальности.
Читать полностью »

Что такое частица Хиггса?

Знаете ли вы, что такое частица? Поле? Если нет, давайте разбираться.

Поле – это нечто,

1. что присутствует повсеместно в пространстве и времени,
2. способно принимать нулевое или ненулевое значение,
3. что способно порождать в себе волны.
4. А если это квантовое поле, тогда эти волны состоят из частиц.

К примеру: электрическое поле – это часть природы, и его можно найти повсюду. В любой заданной точке пространства в любой момент времени его можно измерить. Если в каком-то районе пространства в среднем оно ненулевое, оно может оказывать физическое влияние – поднимать ваши волосы или приводить к появлению искр. Электрическое поле может порождать волны, в которых величина поля периодически становится больше и меньше – к примеру, такой волной является видимый свет, рентгеновские лучи, радиоволны, и всё остальное, что мы в целом зовём «электромагнитными волнами».

Так что такое частица?

Интенсивность волн квантового поля не может быть любой. Они не могут быть произвольно «слабыми» или «тихими». Волна наименьшей интенсивности, которую способно распространять поле, называется «квантом» или «частицей». Часто они ведут себя примерно так, как вы интуитивно представляете себе частицы – двигаются по прямым линиям и отскакивают от разных вещей, поэтому мы и назвали их частицами.
Читать полностью »

Intro

Этот пост написан под впечатлением от вот этого отличного поста с Хабра, в котором автор наглядно, при помощи двумерных моделек, которые рисует его программа, объясняет как работает Специальная Теория Относительности.

Я работаю в IT, а по образованию – физик-теоретик. Уже долгое время увлекаюсь популяризацией науки, и теоретической физики в частности. Постараюсь аналогично вышеупомянутому посту о специальной теории относительности объяснить на специально подготовленном примере как работает квантовая механика.

Модель, которую я рассматриваю – отнюдь не нова. Более полугода назад Chris Cantwell разместил на YouTube анонс новой настольной игры: квантовых шахмат (многим, возможно, известно об этом из вот этого вирусного ролика).

Недавно игра вышла в Steam, она стоит 249 руб. Есть ещё другая реализация – бесплатное приложение для iOS (не знаю, есть ли оно в Google Play). Однако в процессе игр с друзьями я экспериментально выяснил, что она неправильная с точки зрения квантовой механики. Такую реализацию скорее можно назвать статистическими шахматами, а не квантовыми.

Поэтому я решил написать свою реализацию, с запутанностью и суперпозициями. В своей реализации я постарался исправить те недостатки, которые на мой взгляд присутствуют в версии на Steam (например, у меня пешки тоже могут ходить квантовыми ходами, как и все остальные фигуры). Про приложение для iOS и так всё понятно: любая реализация квантовых шахмат должна быть по-настоящему квантовой, т.е. не только быть вероятностной, но поддерживать такие эффекты квантовой механики как интерференция, запутанность, etc.

Читать полностью »